氣體流量計遠程校準系統研究

為了探索氣體流量計的校準方法，對其遠程校準技術進行了研究。闡述了量值傳遞和遠程校準的原理，設計了系統架構，研制數據采集終端，開發校準軟件平臺，并建立了實驗系統，進行了實驗。結果表明: 數據采集終端與平臺通信良好，數據能實時準確傳送，校準平臺對實驗系統內儀表進行校準，得到該遠程校準系統的擴展不確定度為 0． 52 % ( k =2) ，系統具有實際應用的可行性。

0.引 言

遠程校準相對于傳統計量校準更快捷和低成本，因此得到了快速的發展。目前，遠程校準主要在美國、英國、德國和日本等開展得比較普遍，尤其是日本，由于其很多跨國公司的生產車間都設立在第三國，對生產車間計量檢測設備的校準迫使其大力發展遠程校準技術 。在能源計量器具遠程校準方面美國標準和技術研究院 ( NIST) 開展了氣體流量計的遠程校準服務，德國聯邦技術物理研究院( PTB) 進行了高壓天然氣流量基準的遠程校準，日本計量院( NMIJ) 開展的項目很多，其中也包括流量計的遠程校準。

2005 年，日本在海外與 公司對記錄儀、流量計時間頻率進行遠程校準實驗，開始了遠程校準技術的實際應用。同時，羅馬尼亞科學家 Mihaela M博士提出了使用互聯網技術，配合數據的安全性和完整性檢查，建立遠程校準代理系統，通過實驗顯示該方法具有實際應用有效性 。在 2008 年的計量技術研討會上，關于電能表的遠程校準提上了議程 ，各國都在開展遠程校準技術的研究。

我國開展了電能計量在線監測與遠程校準的研究，研發了基于 GPS 同步時鐘的電能計量時鐘基頻測試與校準裝置，在基于等效阻抗測量的電壓 / 電流互感器低校高校驗方法的基礎上，提出了電壓 / 電流互感器 ( TV /TA) 的現場實時校準方法 。在天然氣計量上開展了基于聲速比較的超聲流量計在線監測的研究，實現了網絡遠程在線檢

測 ，但對于其他天然氣流量計如羅茨流量計、渦輪流量計等的遠程校準技術研究較少。

本文提出并設計了基于標準標法的氣體流量計遠程校準系統，研制了數據采集終端，開發遠程校準軟件平臺，***后搭建了實驗系統，進行實驗研究。

1.原理與計算模型

1.1遠程校準原理

本文采用標準表法設計遠程校準系統，其原理如圖 1所示。首先溯源標準表，可靠的量值溯源鏈是遠程校準技術的關鍵，本設計采用了被檢表( 現場) —標準傳遞表—標準裝置的量值溯源鏈; 當需要校準流量計時，再將其轉移到校準現場，進行校準實驗; 獲得的數據經互聯網發送回到軟件平臺( 校準實驗室) ，平臺再對數據進行分析處理，得到校準結果; ***后再將標準表運返到校準實驗室。

1． 2 計算模型

目前使用的大、中流量氣體流量儀表主要有羅茨流量計、渦輪流量計、超聲流量計等，校準內容的主要有示值誤差、儀表系數、重復性等參數。

1． 2． 1 示值誤差

單次測量的示值誤差 E 為

2.系統設計

2． 1 系統整體設計

系統主要包括遠程校準軟件平臺、數據采集終端和標準表等。圖 2 為系統結構圖。

系統硬件主要包括計算機、數據采集終端、標準表、閥門、濕度計、溫度和壓力傳感器等。其中，計算機在校準實驗室，其余設備安裝在校準現場。

壓力傳感器有壓力和差壓傳感器，外輸 4 ～ 20 mA電流信號，壓力傳感器作參比壓力之用，差壓傳感器分別用于測量被檢表與標準表入口壓力。溫度傳感器輸出4 ～ 20 mA 電流信號，其測量環境溫度以及被檢表和標準表的入口溫度。濕度計用于測量空氣濕度。

信息采集器主頻較高，計時模塊使用信息采集器內部定時器，其計數時鐘使用主頻時鐘，計時精度高。基站采用雙計時法檢定原理對數據進行修正，使校準保持“同步”。

2． 2 遠程校準軟件平臺

軟件平臺采用 LabVIEW 軟件作為系統軟件開發平臺，它擁有大量的函數庫包括數據采集、數據分析、數據顯示及數據存儲等。平臺通過互聯網接收基站傳送的數據，對數據處理分析，生成證書并存儲，其流程圖如圖 3。

軟件平臺主要有三個子程序模塊: 其一為數據處理模塊，用來對數據采集終端傳送的數據進行分析處理和存儲并顯示校準結果，生成證書等; 其二是為通信服務的通信模塊，主要用來建立通信連接和實現數據通信; 其三為數據庫管理模塊，主要用來管理校準信息和數據，并可根據歷史數據計算出被檢表的示值誤差、儀表系數和重復性等參數，然后生成校準證書。

2． 3 數據采集終端

數據采集終端包括信息采集器和基站兩部分。信息采集器采用 AＲMCortex-M3 內核芯片 STM32F103 作為核心，它擁有 8 路 10 位 4 ～ 20 mA 電流信號采集模塊、2 路脈沖信號采集模塊和射頻通信模塊等。程序流程圖如圖 4，首先初始化，并與基站建立通信連接，等待指令。

基站以 S3C6410 芯片作為核心處理器，采用基于 Linux的嵌入式開發平臺 QT /E 作為開發平臺，QT /E 提供給應用程序大部分的功能來完成建立合適、的圖形界面程序 ，基站實現對校準參數的設置并與信息采集器進行數據通信，基站可以匹配多個信息采集器，組成無線自組網絡?；九c平臺通過互聯網通信，為了增加數據傳輸的可靠性，選擇 TCP 傳輸協議。程序流程圖如圖 5，程序運行

時，首先初始化并與平臺和信息采集器建立通信連接，然后等待用戶操作。當用戶設置參數，點擊“開始校準”后，基站自動完成數據的接收和上傳。

3.實驗與分析

3． 1  實驗裝置設計

裝置結構如圖 6 所示，由氣泵、流量計、管道、傳感器和閥門等組成。目前天然氣行業大多使用氣體超聲流量計、氣體羅茨流量計和氣體渦輪流量計等作為計量器具，該裝置中即以這三種流量計作為研究對象，通過對閥門開閉的控制實現流量計的串聯或并聯連接形式。流量大小由閥門的開度控制。標準表選用渦輪流量計，其精度為± 0． 50 % ，流量范圍為 6 ～ 100 m3 /h，輸出信號為 4 ～ 20 mA

和脈沖信號。被校表為羅茨流量計，其精度為 ± 1． 0 % ，流量范圍為 0． 5 ～ 65 m3 /h，輸出脈沖信號和 4 ～ 20 mA 電流信號。

3． 2 實驗過程

該實驗過程如下: 1)  校準標準表。2) 將標準表運送到客戶端現場，實現標準的遠程傳遞。3) 安裝標準流量計和被檢流量計，進行遠程校準實驗，測量數據傳送到校準實驗室。4) 校準完成后將標準表運回校準實驗室。圖 7 為遠程標準實驗示范圖。

3． 3  實驗結果

選取 60，35，14 m3 /h 三個流量點開展校準實驗，數據采集終端同步采集標準表、被檢表和傳感器的脈沖信號和電流信號，計算出出流量、溫度、壓力和濕度等數據，并能將數據實時準確地傳送到遠傳校準軟件平臺，平臺接收數據，并自動分析出校準結果。

3． 4  數據分析

測量結果的不確定度主要有兩部分組成: 校準裝置的B 類不確定度和測量數據的 A 類不確定度。

1) 校準裝置不確定度

主要來源是標準流量計的不確定度和溫度、壓力、濕度和時鐘等引起的不確定度。

渦輪流量計經校準的等級為 0． 5 級，視作 U ( E1 )  =0． 5 % ，k=2，即 ur ( E1 ) =0． 25 % 。

時鐘晶振為 8 Mz，其精度為 ± 50 μs，保守估計時間不確定度為 ur ( t)  =0． 01 % ; 由于實驗中脈沖采集時間相對較長，其時間不同步引起的誤差可忽略不記。

壓力變送器的精度為 0． 075 % ，按均勻分布計算得到

u3 =0． 075 % / ( 2 ×  3 ) =0． 02 % ．

標準表處與被檢表壓力的合成不確定度為

4.結論

系統運行 6 個月，開展遠程校準實驗數 10 次，運行穩定，平臺與數據采集終端通信良好，數據傳輸實時準確，能滿足遠程校準實際使用要求，將在能源企業開展示范工程，為能源計量器具遠程校準提供技術支撐。